JP4398763B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、合成樹脂の射出成形法を用いた燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

近年、電気自動車の動力源等として固体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）は、常温でも発電することが可能であり、自動車以外にも様々な用途に実用化されつつある。

一般に燃料電池（スタック）は、固体高分子電解質膜を挟んで一方側にカソード極を配置し、他方側にアノード極を配置し、それを燃料電池用セパレータ（以下、単に「セパレータ」という。）で挟持して構成される単セルを積層して構成したものであり、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって電力を発生させる仕組みになっている。

前記セパレータは、単セルを複数枚重ねて所要の電圧を得る各セル間の繋ぎ（積層化機能）を持たせるために用いられるものであるが、その他、燃料電池スタック内で水素や空気をセルに供給する供給通路を確保する機能、生成反応物を外部に排出する排出通路を確保する機能、燃料電池スタックを冷却するための冷却液の供給通路を確保する機能等を要求される。

そのため、前記した単セルにおけるセパレータ間では、特に、水素や空気や水が系外に漏洩しないための気密性や液密性が要求される。ここで、従来、二色射出成形法でシール材をセパレータ本体の表裏面に一体成形したセパレータが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この文献によるセパレータは、金型内で、まず、セパレータ本体の一面側に第１シール材を射出成形した後で、他面側に第２シール材を射出成形する。そして、これらのシール材を硬化させて、セパレータ本体に一体成形して得られるものである。
特開平１１−１２９３９６号公報（段落００１７、図４）

しかしながら、前記した二色射出成形法を用いてセパレータ本体の表裏面に絶縁被覆を行なう場合、次のような問題がある。
つまり、セパレータ本体は、その形状を加工する際に、多少反りやうねりを生じる場合がある。このような反りやうねりがあるセパレータ本体を金型内にセットすると、反りやうねりに起因して、金型とセパレータ本体の間に予定外の隙間が生じることがある。そして、その状態で、第１シール材を一面側に射出成形すると、そのシール材が射出成形した面の反対側（他面側）に回りこみ、不規則な形状のバリ等が生じる。さらに、その状態で第２のシール材を他面側に射出成形すると、セパレータ本体の表裏面でシール材の厚みにバラツキが生じて、絶縁機能が充分に得られなかったり、最悪の場合は絶縁被覆からセパレータ本体が露出し、絶縁機能を果たさないという問題がある。このため、絶縁機能不良によるセパレータの生産歩留まりの低下が問題となっている。

ところで、前記した従来のセパレータでは、一面側と他面側において不連続なシール材を一体成形されている。しかしながら、セパレータは、積層されたときに隣り合うセパレータ本体同士の接触や、各種流体の供給通路からのセパレータ本体の腐食を防止すべく、セパレータ本体の外周縁部の表裏面、または、セパレータ本体に形成される供給通路の周縁部の表裏面は、完全被覆されていることが望ましく、換言すると、表裏面を連続する一つながりのシール材を一体成形されることが望ましい。このような連続するシール材をセパレータ本体の表裏面に一体成形する場合にも、前記した二色射出成形法を適用することができるが、前記同様、絶縁機能が充分に得られないという問題がある。

そこで、本発明は、前記した問題を解決すべく、絶縁被覆の精度を向上させた燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを主な課題とし、さらに、一面側から他面側に連続するシール材をセパレータ本体に一体成形される燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、セパレータ本体の両面にシール材を一体に成形する燃料電池用セパレータの製造方法であって、支持体を有する金型と、この金型との間に第１キャビティを形成する第１可動型と、この第１可動型と取り替えられ、前記金型との間に第２キャビティを形成する第２可動型とを備えた金型装置を使用し、前記金型と前記第１可動型との間に前記セパレータ本体をインサートする工程と、前記金型と前記第１可動型を型締めして、前記セパレータ本体の一面側に第１キャビティを形成する第１キャビティ形成工程と、前記第１キャビティに第１シール材を射出成形する第１射出工程と、前記第１可動型を前記第２可動型に取り替えて前記金型に型締めして、前記セパレータ本体の他面側に前記第２キャビティを形成する第２キャビティ形成工程と、前記第２キャビティに第２シール材を射出成形する第２射出工程と、を備え、前記第１キャビティ形成工程では、前記金型の前記支持体で前記セパレータ本体の縁部を前記一面側から前記第１可動型に押し付ける押圧工程を有することを特徴とする。

請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、セパレータ本体に反りやうねりがある場合でも、セパレータ本体を支持体で第１可動型に押し付けることで、その形状を矯正される。そして、その状態で、第１シール材を一面側に射出成形するため、所望の形状のシール材がセパレータ本体に一体成形される。また、こうして得られたセパレータ本体の他面側に、第２シール材を射出成形するため、シール材の正確な形状だしが可能になり、両面においてシール材の厚みにバラツキを生じることなく、絶縁被覆の精度を向上させた燃料電池用セパレータを得ることができる。
なお、セパレータ本体の一面側には、支持体により押し付けられていた部分にシール材の欠損部が生じるが、この欠損部については、さらに第３シール材を射出成形する工程を設けたり、別工程で穴埋め作業をしたりすることができる。

請求項２に記載の発明は、前記セパレータ本体の前記一面側の縁部から前記他面側の縁部に連続する前記シール材を前記セパレータ本体の両面に一体に成形する請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記支持体は前記第１可動型または前記第２可動型に対して進退自在に構成され、前記第１キャビティ形成工程では、前記金型の支持体で前記セパレータ本体の一面側の縁部と前記第１可動型に跨るように前記一面側から前記第１可動型に押し付け、前記第１射出工程後、前記支持体を後退させて前記第１シール材の欠損部を形成し、前記第２射出工程では、前記欠損部にも前記第２シール材を射出成形することを特徴とする。

請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、セパレータ本体の一面側の縁部から他面側の縁部に連続するシール材をセパレータ本体の両面に一体に成形する。この製造方法では、支持体が可動式に構成されており、この支持体は、第１シール材の射出成形後、セパレータ本体の一面側から後退するようになっている。支持体の後退後は、第１シール材が射出成形されなかったことによって、支持体の元位置に第１シール材の欠損部が生じる。支持体はセパレータ本体の縁部と第１可動型に跨っていたので、欠損部は、支持体が跨っていた部分を介して、第２キャビティに連通する。そして、第２キャビティに第２シール材を射出成形するとき、同時に、欠損部にも第２シール材を射出することができる。第２キャビティはセパレータ本体の他面側から一面側に連続するように形成されているので、セパレータ本体の表裏面に連続するシール材を一体成形することができるとともに、セパレータ本体の縁部に、支持体によるシール材の欠損部も穴埋めされて、絶縁被覆をすることができる。
なお、セパレータ本体の縁部とは、セパレータ本体の周縁部を意味するが、セパレータ本体の周縁部に供給通路等の開口部がある場合は、その開口部の縁部も含むものとする。

請求項３に記載の発明は、縁部に貫通孔を有する前記セパレータ本体の両面に前記シール材を一体に成形する請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記支持体は前記第１可動型または前記第２可動型に対して進退自在に構成され、前記第１キャビティ形成工程では、前記金型の支持体で前記セパレータ本体の一面側の前記貫通孔を塞ぐように前記一面側から前記第１可動型に押し付け、前記第１射出工程後、前記支持体を後退させて前記第１シール材の欠損部を形成し、前記第２射出工程では、前記欠損部にも前記第２シール材を射出成形することを特徴とする。

請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、縁部に貫通孔を有するセパレータ本体の両面にシール材を一体成形する。この製造方法では、支持体が可動式に構成されており、この支持体は、第１シール材の射出成形後、セパレータ本体の一面側から後退するようになっている。支持体の後退後は、第１シール材が射出成形されなかったことによって、支持体の元位置に第１シール材の欠損部が生じる。支持体はセパレータ本体の貫通孔を塞ぐようになっていたので、欠損部は、支持体が塞いでいた貫通孔を介して、第２キャビティに連通する。そして、第２キャビティに第２シール材を射出成形するとき、同時に、欠損部にも第２シール材を射出することができる。そのため、第２シール材の形成と同時に、支持体によるシール材の欠損部も穴埋めされて、絶縁被覆をすることができる。

請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、セパレータ本体の変形を抑制しつつ、シール材を一体成形することが可能になり、絶縁被覆の精度を向上させた燃料電池用セパレータを得ることができる。

請求項２および請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、セパレータ本体の変形を抑制した支持体による欠損部にも、第２射出工程で、シール材を一体成形することが可能になり、絶縁被覆の精度を向上させた燃料電池用セパレータを得ることができる。

［第１実施形態］
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態で製造されるセパレータを示す図であり、（ａ）はセパレータの平面図、（ｂ）はセパレータの断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、第１実施形態で製造されるセパレータ１（燃料電池用セパレータ）は、セパレータ本体２の表裏面で周縁部２ａを覆うように、シール材３を一体に成形されたものである。

セパレータ本体２は、単セルを積層化して形成される燃料電池スタックにおいて、単セルを複数枚重ね合わせて所要の電圧を得る各単セル間の繋ぎ（積層化機能）を持たせるために用いられる。

セパレータ本体２の材料には、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、メッキ処理鋼板、防食用の表面処理を施した金属薄板、または、合成黒鉛や黒鉛と樹脂とを混合したカーボン系の材料が好適に用いられるが、特に限定されるものではない。なお、セパレータ本体２の周縁部２ａには、後記するセパレータの製造工程でシール材３を好適に付着させるために、プライマ処理を施しておくこともできる。

シール材３は、セパレータ本体２の表面２１（一面）および裏面２２（他面）から突出するリブ３ａを有している。シール材３は、製造工程では、セパレータ本体２の表面２１の周縁部２ａを覆うように形成される第１シール材３１と、セパレータ本体２の裏面２２の周縁部２ａから表面２１の周縁部２ａに連続するように形成される第２シール材３２とからなり、成形品としては一つながりのシール材３として形成される。なお、図１（ｂ）および図３では、製造工程がわかりやすいように、第１シール材３１と第２シール材３２で形成された部分を区別して示している。

次に、セパレータ１の製造方法について説明する。
図２は、セパレータの製造工程における支持体の配置場所を示したセパレータの平面図であり、図３は、セパレータの製造工程について説明する図である。
図２および図３に示すように、このセパレータ１を製造するために、支持体４２ａを有する固定型４２（金型）と、この固定型４２との間に第１キャビティ５１を形成する第１可動型４１（図３（ａ），（ｂ）参照）と、固定型４２との間に第２キャビティ５３を形成する第２可動型４３（図３（ｃ），（ｄ）参照）とを備えた金型装置を使用する。

まず、図３（ａ）に示すように、第１可動型４１上にセパレータ本体２を載置し、固定型４２を型締めする。このとき、固定型４２に設けられる進退自在な支持体４２ａを突出させて、図２（ａ）に示すように、セパレータ本体２の周縁部２ａと第１可動型４１の型面に部分的に跨るように、表面２１側から第１可動型４１に押し付ける。そして、このようにしてセパレータ本体２の形状を矯正した状態で、その表面２１側に形成された第１キャビティ５１に、シリコーンゴム等の第１シール材３１を射出する。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１シール材３１が、所定の形状を保持できる状態まで成形されたら（なお、この段階での第１シール材３１の成形は、最終的な硬化までは必要としない。）、支持体４２ａを、第１シール材３１の表面位置３１ａと同じ高さまで後退させる。このとき、セパレータ本体２の表面２１側で支持体４２ａがあった位置には、第１シール材３１が射出されていないので、欠損部５２が生じる。

そして、図３（ｃ）に示すように、固定型４２に吸着させた状態で、第１可動型４１（図３（ｂ）参照）を第２可動型４３に取り替えて、固定型４２に第２可動型４３を型締めする。こうして、セパレータ本体２の裏面２２側に第２キャビティ５３を形成する。この第２キャビティ５３は、セパレータ本体２の裏面２２の周縁部２ａから周側面を介して表面２１の周縁部２ａに連続し、前記した欠損部５２まで連続するものとする。そして、この第２キャビティ５３に第２シール材３２を射出成形する。

その後、図３（ｄ）に示すように、セパレータ本体２に第１シール材３１と第２シール材３２が一体成形されて、シール材３を形成することができるとともに、欠損部５２の穴埋めを同時にすることができる。

以上によれば、本実施形態に係るセパレータ１の製造方法において、以下の効果を得ることができる。
本実施形態では、第１キャビティ５１内でセパレータ本体２を第１可動型４１に押し付けることで、セパレータ本体２の形状を矯正しながら、第１シール材３１を表面２１に射出成形することができる。そして、このようにして得られたセパレータ本体２の裏面２２に、第２シール材を射出成形するため、反りやうねりを有するセパレータ本体２が製造型内で拘束されないことに起因するシール材３の不規則なバリの発生を防止し、表裏面においてその厚みにバラツキを生じることなく、その形状だしを正確にすることができる。そのため、セパレータ１の絶縁被覆の精度を向上させることができる。

また、第１シール材３１を射出成形後、支持体４２ａを後退させてセパレータ本体２の表面２１に欠損部５２を形成し、第２シール材３２の射出成形時に、この欠損部５２にも同時に射出することで、欠損部５２の発生を防止することができる。

このようにして、周縁部２ａが高精度に絶縁被覆されたセパレータ１を得ることができる。
なお、このセパレータ１によれば、セパレータ本体２の反りやうねりも矯正されていることから、燃料電池スタックに組み付ける際、このセパレータ１を積層させたときに、その変形に起因する隙間が生じることもなく、セパレータ１間に通流する各種流体の漏れ等も防止することができる。

また、本発明は第１実施形態に限定されるものではなく、以下のように実施することもできる。
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係るセパレータの平面図であるとともに、製造工程における支持体の配置場所を示したものである。なお、第２実施形態に係るセパレータの製造方法は、第１実施形態の構成を一部変更したものであるので、同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、セパレータ１’（燃料電池用セパレータ）は、セパレータ本体２の表裏面で周縁部２ａを覆うように、リブ３ａを有するシール材３を一体に成形されたものである。このセパレータ本体２の周縁部２ａには複数の貫通孔２ｂが穿設されている。

次に、セパレータ１’の製造方法について説明する。
図５は、第２実施形態に係るセパレータの製造工程について説明する断面図である。
図４および図５に示すように、このセパレータ１’を製造するために、支持体４５ａを有する固定型４５（金型）と、この固定型４５との間に第１キャビティ５４を形成する第１可動型４４（図５（ａ），（ｂ）参照）と、固定型４５との間に第２キャビティ５６を形成する第２可動型４６（図５（ｃ），（ｄ）参照）とを備えた金型装置を使用する。

まず、図５（ａ）に示すように、第１可動型４４上にセパレータ本体２を載置し、固定型４５を型締めする。このとき、固定型４５に設けられる支持体４５ａを突出させて、図４に示すように、支持体４５ａでセパレータ本体２の貫通孔２ｂを塞ぐように、表面２１側から第１可動型４４に部分的に押し付ける。そして、このようにしてセパレータ本体２の表面２１側に形成された第１キャビティ５４に、シリコーンゴム等の第１シール材３１を射出する。

次に、図５（ｂ）に示すように、第１シール材３１が、所定の形状を保持できる状態まで成形されたら（なお、この段階での第１シール材３１の成形は、最終的な硬化までは必要としない。）、支持体４５ａを、第１シール材３１の表面位置３１ａと同じ高さまで後退させる。このとき、セパレータ本体２の表面２１側で支持体４５ａがあった位置には、第１シール材３１が射出されていないので、（シール材の）欠損部５５が生じる。

そして、図５（ｃ）に示すように、第１可動型４４（図５（ｂ）参照）を第２可動型４６に取り替えて、型締めすることで、セパレータ本体２の裏面２２側に第２キャビティ５６を形成する。この第２キャビティ５６は、セパレータ本体２の裏面２２から貫通孔２ｂを介して表面２１に形成された欠損部５５まで連続するものとする。そして、この第２キャビティ５６に第２シール材３２を射出成形すると、第２シール材３２がセパレータ本体２の貫通孔２ｂから表面２１側に回りこみ、欠損部５５が穴埋めされるとともに、裏面２２で所望の形状に形成される。

その後、図３（ｄ）に示すように、セパレータ本体２に第１シール材３１と第２シール材３２が一体成形されて、シール材３を形成することができるとともに、欠損部５５の穴埋めを同時にすることができる。

このような第２実施形態に係るセパレータ１’の製造方法によっても、前記した第１実施形態と同様、絶縁被覆の精度を向上させたセパレータを製造できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更可能である。

前記実施形態では、第２シール材３２の射出成形をすると同時に、この第２シール材３２を第１シール材の欠損部に射出成形（穴埋め）する場合について説明したが、本発明の技術的思想は、支持体でセパレータ本体２を第１可動型に押し付けて、金型（固定型４２と第１可動型４１）内でその形状を矯正しながら、第１シール材３１を射出成形する点にある。そのため、第２シール材３２の射出成形時に必ずしも第１シール材３１の欠損部５２を穴埋めする必要はない。このように、第２シール材３２の射出成形時に、支持体跡である（シール材の）欠損部５２に射出成形しない場合、さらに、欠損部５２に第３シール材（図示せず）を射出成形する工程を設けたり、別工程で穴埋め作業をする工程を設けたりしてもよい。また、この場合は、支持体４２ａを可動式にする必要がないため、型の構成を簡易にすることができる。

また、例えば、前記した第１実施形態では、図２（ａ）に示すように、支持体４２ａは、セパレータ本体２の周縁部２ａを部分的に押し付けるように構成したが、図２（ｂ）に示すように、支持体４２ａ’は、周縁部２ａを全体的に押し付けるように構成してもよい。さらに、図示省略するが、第２実施形態でも同様に、支持体４５ａはセパレータ本体２の周縁部２ａを全体的に押し付けるように構成してもよい。

また、前記実施形態では、セパレータ本体２の周縁部２ａにシール材３（図１および図４参照）を一体成形する場合について説明したが、各種流体の供給通路の開口部の周縁部を覆う場合についても本発明の製造方法を適用することができる。

図１は、本実施形態で製造されるセパレータを示す図であり、（ａ）はセパレータの平面図、（ｂ）はセパレータの断面図である。 セパレータの製造工程における支持体の配置場所を示したセパレータの平面図である。 セパレータの製造工程について説明する図である。 第２実施形態に係るセパレータの平面図であるとともに、製造工程における支持体の配置場所を示したものである。 第２実施形態に係るセパレータの製造工程について説明する断面図である。

符号の説明

１ セパレータ
２ セパレータ本体
２ａ 周縁部
２ｂ 貫通孔
３ シール材
３ａ リブ
２１ 表面
２２ 裏面
３１ 第１シール材
３１ａ 表面位置
３２ 第２シール材
４１ 第１可動型
４２ 固定型
４２ａ 支持体
４３ 第２可動型
４４ 第１可動型
４５ 固定型
４５ａ 支持体
４６ 第２可動型
５１ 第１キャビティ
５２ 欠損部
５３ 第２キャビティ
５４ 第１キャビティ
５５ 欠損部
５６ 第２キャビティ

Claims (3)

1. セパレータ本体の両面にシール材を一体に成形する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   支持体を有する金型と、この金型との間に第１キャビティを形成する第１可動型と、この第１可動型と取り替えられ、前記金型との間に第２キャビティを形成する第２可動型とを備えた金型装置を使用し、
   前記金型と前記第１可動型との間に前記セパレータ本体をインサートする工程と、
   前記金型と前記第１可動型を型締めして、前記セパレータ本体の一面側に第１キャビティを形成する第１キャビティ形成工程と、
   前記第１キャビティに第１シール材を射出成形する第１射出工程と、
   前記第１可動型を前記第２可動型に取り替えて前記金型に型締めして、前記セパレータ本体の他面側に前記第２キャビティを形成する第２キャビティ形成工程と、
   前記第２キャビティに第２シール材を射出成形する第２射出工程と、
   を備え、
   前記第１キャビティ形成工程では、前記金型の前記支持体で前記セパレータ本体の縁部を前記一面側から前記第１可動型に押し付ける押圧工程を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記セパレータ本体の前記一面側の縁部から前記他面側の縁部に連続する前記シール材を前記セパレータ本体の両面に一体に成形する請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   前記支持体は前記第１可動型または前記第２可動型に対して進退自在に構成され、
   前記第１キャビティ形成工程では、前記金型の支持体で前記セパレータ本体の一面側の縁部と前記第１可動型に跨るように前記一面側から前記第１可動型に押し付け、前記第１射出工程後、前記支持体を後退させて前記第１シール材の欠損部を形成し、前記第２射出工程では、前記欠損部にも前記第２シール材を射出成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 縁部に貫通孔を有する前記セパレータ本体の両面に前記シール材を一体に成形する請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   前記支持体は前記第１可動型または前記第２可動型に対して進退自在に構成され、
   前記第１キャビティ形成工程では、前記金型の支持体で前記セパレータ本体の一面側の前記貫通孔を塞ぐように前記一面側から前記第１可動型に押し付け、前記第１射出工程後、前記支持体を後退させて前記第１シール材の欠損部を形成し、前記第２射出工程では、前記欠損部にも前記第２シール材を射出成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。

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